振動センサ
振動センサは、機械・構造物の動的挙動を計測し、故障予兆の抽出や設計妥当性の検証に用いる計測器である。主な測定量は加速度・速度・変位であり、加速度型は広帯域・高耐久で回転機械の状態監視や衝撃試験に広く使われる。得られた時系列信号はフィルタ処理やFFTにより周波数スペクトルへ変換し、アンバランス、ミスアライメント、軸受損傷などの特徴を抽出する。適切な取り付け、帯域と感度の見極め、ノイズと分解能の管理が測定品質を左右するため、振動センサの選定と据付、信号処理を一体で設計することが重要である。
原理と種類
振動センサは内部の質量−ばね−ダンパ系や電磁誘導・容量変化などの原理で機械量を電気信号へ変換する。加速度型は圧電（チャージ型・IEPE/ICP）、ピエゾ抵抗、静電容量（MEMS）に大別され、広いダイナミックレンジと高い固有振動数を持つ。速度型はコイルと磁石の相対運動で電圧を得る電磁式が代表で、低〜中周波の機械診断に適する。変位型は渦電流、LVDT、レーザ変位計などがあり、低周波・準静的のモニタリングに有効である。圧電型は原理上DC応答を持たない一方、MEMS容量型はDC〜低周波で優れるなど、応答特性と環境適合性で使い分ける。
- 加速度型：圧電（高帯域・高温対応）、IEPE（内蔵増幅で低インピーダンス）、MEMS（低周波・小型・多軸）
- 速度型：電磁誘導式（機械診断の定番、数Hz〜数kHz）
- 変位型：渦電流・LVDT・レーザ（軸振れ・クリアランス・低周波監視）
主要仕様（感度・帯域・ノイズ）
振動センサの感度は加速度型でmV/gやmA/g、速度型でmV/(mm/s)、変位型でmV/μmなどで表す。帯域は−3dB点で規定され、上限付近では位相遅れが増す。ノイズフロア（例えば数十μg/√Hz）とダイナミックレンジ（最大加速度やgレンジ）が同時に測定の最小可検・最大許容を決める。横感度、温度ドリフト、固有振動数（センサ構造の共振）も重要である。
- 周波数応答：平坦域と位相特性を確認（必要帯域の少なくとも×1.5）
- ノイズ：低周波ほど増える1/fノイズに注意、積分処理ではドリフト増大
- 耐環境：温度範囲、耐湿、耐油、耐放射、IP等級
取り付けと設置
振動センサの据付は測定品質を左右する。スタッド（ねじ）固定は高周波まで伝達損失が少なく最適である。接着やワックスは簡便だが上限周波数が低下しやすい。磁石ベースは保全での仮止めに有用だが高周波測定には不利である。測定点は信号対雑音比とモード形状を考慮し、軸受近傍や荷重経路上を優先する。ケーブルは曲げ・こすれがマイクロフォニックノイズを生むため固定と引き回しに配慮する。締結にはボルトの適正トルク、設置面の平滑・脱脂、センサ質量の載り替え影響（軽量薄板では固有値変化）に注意する。懸架系やばね要素が近いと共振が混入しやすい。
- 表面準備：面粗さ低減、酸化皮膜除去、平面度確保
- 固定方法：スタッド＞接着＞磁石（周波数上限の目安）
- ケーブル：ストレインリリーフ、ループ回避、アース設計
信号処理とデータ収集
IEPE/ICP型は定電流源でバイアスし、交流結合で取り出す。チャージ型は低漏洩のチャージアンプを用いる。サンプリングは最高解析周波数の少なくとも2.5倍以上、アンチエイリアスフィルタを併用する。時間波形をFFTで周波数解析し、回転数同期のスペクトルや包絡線検出で軸受欠陥周波数を抽出する。加速度は1回積分で速度、2回積分で変位となるが、直流成分やオフセットによりドリフトが増えるため、ハイパス処理やウィンドウ選択が必要である。ピーク、RMS、クリストファーズ因子など統計量も機械診断に有効である。共鳴ピークの解釈にはフーリエ変換の理解と、構造の共振特性の把握が欠かせない。
- 前処理：直流ブロック、バンドパス、リサンプリング
- 解析：FFT、オーダートラッキング、包絡線、時周波解析
- 特徴量：RMS、ピーク、Kurtosis、帯域RMS
選定フロー
振動センサ選定は測定目的（指標）、対象帯域、振幅レンジ、環境条件、取り付け可否、信号処理系との整合で決める。低周波・準静的にはMEMS容量型や変位計、高周波・ショックには圧電型が適する。小型化と多軸化は実装自由度を高めるが、ノイズと帯域のトレードオフを伴う。耐熱・耐油・防爆など規制要件も事前に確認する。
- 目的定義：何を指標に異常検知・評価するか（加速度/速度/変位）
- 帯域設定：機械の固有・励振周波数と解析上限
- レンジ設定：最大加速度、過負荷余裕
- 設置制約：ねじ穴有無、面粗さ、ケーブル取り回し
- 環境適合：温度、液体、電磁ノイズ、IP/防爆
- I/O整合：IEPE/電荷/電圧出力、ADC、同期方式
校正とトレーサビリティ
振動センサは振動台での比較法・逆比較法やレーザ干渉計による一次校正により感度と位相を確認する。実務ではリファレンスセンサとのバックツーバック校正が普及し、周波数掃引で感度曲線と不確かさを取得する。校正周期は使用環境と重要度に応じて定め、校正履歴・不確かさ・使用条件を記録し、計測系全体（ケーブル・アンプ・ADC）を含めたシステム校正で信頼性を担保する。
よくある誤りと対策
取り付けトルク不足や面粗さ不良で伝達損失が増大する、磁石固定で高周波が歪む、長尺ケーブルでノイズが混入する、圧電でDC・超低周波を測ろうとしてドリフトに悩む、積分で低域が暴れて変位が信頼できない、などの誤りが典型である。対策として適正トルクと面処理、ケーブル固定、ハイパス/帯域設定、基準信号での健全性確認を徹底する。構造側のモードを把握するために実稼働形状やモード解析も併用すると良い。
- 取り付け：面粗さ・トルク管理、軽量治具の回避
- 配線：アースループを避ける、コネクタ緩み防止
- 解析：適切なウィンドウ、平均化、帯域RMSで安定化
代表的な用途
振動センサは回転機械の予知保全、工作機械主軸の状態監視、車両・航空機の耐久試験、土木構造物の常時微動観測、家電の品質検査など多岐にわたる。製造業では自動化ラインでのインライン判定に組み込み、異常音・異常振動の検出を高速で行う。研究開発では小型MEMSと高分解能ADCの組合せで多点同時計測を行い、原因同定に周波数応答とモード形状を用いる。これらは設計段階の仕様検討と現場の保全活動を橋渡しし、信頼性・生産性の向上に寄与する。